L'espace détermine la disposition
Les chercheurs étudient l'évolution historique du système périodique des éléments chimiques.
Dans les années 1860, les chimistes Lothar Meyer et Dmitri Mendeleev ont présenté indépendamment le premier système périodique. Depuis lors, la disposition bien connue des éléments sous forme de tableau est le principe directeur de la chimie. Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck pour les mathématiques dans les sciences et du Centre interdisciplinaire de bioinformatique de l'université de Leipzig propose des approches computationnelles basées sur des ensembles de données étendus de la base de données de chimie Reaxys qui expliquent le développement des premiers systèmes périodiques. Leurs résultats sont pertinents tant pour l'histoire des sciences que pour l'expansion future des connaissances en chimie.
L'espace chimique et le système périodique des éléments chimiques
Thomas Endler / Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences
Dans un article récemment publié dans les "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS), les scientifiques reviennent sur les débuts du système périodique, dont la structure est caractérisée par des relations de similarité et d'ordre entre les éléments. Les tableaux périodiques sont nés de la connaissance des éléments chimiques et des composés existants ou potentiellement possibles connus à l'époque. La combinaison totale de ces deux éléments forme ce qu'on appelle l'espace chimique. Les relations d'ordre ont été initialement établies sur la base des poids atomiques et des similitudes en termes de composition chimique commune. Au fur et à mesure que la connaissance des substances chimiques s'est développée au cours de l'histoire de la science, les systèmes périodiques potentiellement possibles se sont développés, influencés par l'état de l'espace chimique de l'époque. "Nous avons été attirés par la question de savoir comment l'expansion de l'espace chimique a contribué à la formation des premiers systèmes périodiques. On en savait peu à ce sujet. Nous avons donc étudié en particulier l'espace chimique entre 1800 et 1869 pour découvrir dans quelle mesure le tableau périodique correspond aux données chimiques au moment de sa formulation", Guillermo Restrepo, chef de projet à l'Institut Max Planck de mathématiques dans les sciences, décrit l'objectif de l'équipe de recherche.
Expansion de l'espace chimique entre 1800 et 1869
Leur analyse de la connaissance de l'espace chimique a révélé que le tableau périodique des éléments chimiques convergeait vers une structure de base clairement visible dès les années 1840, et était donc déjà encodé dans l'espace environ deux décennies et demie avant sa formulation.
Le premier quart du 19e siècle a été caractérisé par une découverte rapide d'éléments chimiques et de leurs composés, ce qui a conduit à une période instable avec une grande variété de tableaux périodiques, dont seuls quelques-uns ont résisté à l'épreuve du temps. En 1826, la découverte d'éléments s'est ralentie, ce qui a permis aux chimistes d'explorer davantage les propriétés des substances connues et de découvrir des composés ayant de nouvelles valences et donc de nouvelles similitudes entre les éléments chimiques connus. Ces découvertes ont perduré pendant des années et ont permis de consolider l'espace chimique et donc des systèmes périodiques assez stables. Entre 1835 et 1845, le système a continué à se rapprocher de sa structure de base, qui a finalement été révélée dans les années 1860.
L'impact de la chimie organique
Wilmer Leal, doctorant à l'Institut Max Planck et à l'Université de Leipzig, décrit le rôle essentiel de la chimie organique dans la formulation du système périodique : "L'essor de la chimie organique dans les années 1830 a joué un rôle essentiel en facilitant la reconnaissance des similitudes entre des éléments massivement représentés dans l'espace chimique, comme l'oxygène, l'hydrogène, le carbone, l'azote et le soufre, et entre des métaux souvent associés à des composés organiques, comme le sodium, le potassium, le palladium, le platine, le baryum et le calcium. Dans le même temps, la pléthore de composés organiques a occulté l'identification des similitudes entre les métaux qui sont peu représentés dans l'espace organique."
En ce qui concerne les systèmes périodiques de Lothar Meyer et de Dmitri Mendeleïev, les deux chimistes pouvaient déjà s'appuyer sur un espace chimique mature et un ensemble assez stable de poids atomiques à l'époque. Les systèmes qu'ils ont formulés étaient donc largement compatibles avec d'autres systèmes périodiques qui auraient été possibles à l'époque, selon l'analyse computationnelle.
Reconstruction computationnelle de l'espace chimique à partir des poids atomiques
Pour reproduire l'espace chimique avant 1869 et tenir compte du rôle des poids atomiques connus au XIXe siècle, les chercheurs ont utilisé la base de données de chimie Reaxys et, à partir de ses nombreuses informations, ont introduit un algorithme permettant d'ajuster l'espace chimique à différents ensembles de poids. Les formules chimiques actuelles peuvent ainsi être converties pour s'adapter à n'importe quel système de poids atomiques. Il permet des approximations de l'espace chimique connu des chimistes du passé et estime les systèmes périodiques résultants de l'époque.
En analysant les différents systèmes périodiques formulés au fil du temps, les scientifiques ont révélé que leur structure était principalement déterminée par les similitudes entre les éléments chimiques et moins par leur ordre basé sur les poids atomiques. "Mesurer ces similitudes a été la partie la plus difficile pour nous, et les résultats ont été assez surprenants. On supposait auparavant que les systèmes périodiques ne pouvaient être formulés que si l'on disposait d'un système stable de poids atomiques. Or, nous avons pu démontrer que même les poids instables signalés avant 1860 produisaient des systèmes périodiques assez stables", explique Peter Stadler, professeur au centre interdisciplinaire de bioinformatique de l'université de Leipzig.
Examen avec vision
La méthode présentée dans l'article pour formuler un système périodique pour un espace chimique donné ne se limite pas au passé mais peut également être appliquée à tous les environnements possibles, comme l'étude des espaces chimiques générés dans des conditions extrêmes de pression et de température. La mise en œuvre de cette méthode pourrait fournir une image complète de la chimie en temps réel, ce qui aurait également des implications pour l'enseignement et l'avenir du domaine. Bien que leur approche soit plus computationnelle qu'historique, les scientifiques espèrent qu'elle pourra compléter d'autres outils de l'histoire de la chimie et contribuer à l'avancement des connaissances dans ce domaine.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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